淺析高速公路沿線監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的供電方案及方案選擇

摘要：高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的供電方案直接影響到外場(chǎng)設(shè)備的供電質(zhì)量及項(xiàng)目的建設(shè)成本，選擇適合于項(xiàng)目外場(chǎng)設(shè)備分布特點(diǎn)的供電方案尤為重要。本文對(duì)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)常見(jiàn)的供電方案進(jìn)行淺析及對(duì)比。

關(guān)鍵詞：高速公路;監(jiān)控系統(tǒng);供電質(zhì)量;建設(shè)成本

高速公路的變電站一般設(shè)置在沿線的管理中心、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū) 、停車區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)內(nèi)或者是隧道口，變電站間隔一般小于40kM。傳統(tǒng)的高速公路供電系統(tǒng)具有一些特點(diǎn)，如距離長(zhǎng)、負(fù)荷小、供電點(diǎn)分散等。根據(jù)2019年交通運(yùn)輸部下發(fā)的《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)<全國(guó)高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)工作實(shí)施方案>和<全國(guó)高速公路視頻云聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求>的通知》要求，新建、擴(kuò)建高速公路的視頻監(jiān)測(cè)設(shè)施按每2公里1對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)一次性建設(shè);伴隨我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，智慧高速逐漸成為高速建設(shè)的趨勢(shì)。

隨著監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備種類，用電負(fù)荷及點(diǎn)位分布的變化，供電方式的選擇問(wèn)題日益突出，如何選出適合于項(xiàng)目特點(diǎn)且系統(tǒng)穩(wěn)定性高，建設(shè)成本小的供電方案是 個(gè)值得思考的問(wèn)題。

1.高速公路中常見(jiàn)的沿線監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備及用電量

沿線監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備主要包括視頻監(jiān)控設(shè)備、信息采集設(shè)備、信息發(fā)布設(shè)備等。

1.1視頻監(jiān)控設(shè)備

視頻監(jiān)控設(shè)備主要是沿線的外場(chǎng)攝像機(jī)。

1.2信息采集設(shè)備

信息采集設(shè)備主要包括車輛檢測(cè)器、能見(jiàn)度檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、事件檢測(cè)設(shè)備等。

1.3信息發(fā)布設(shè)備

信息發(fā)布設(shè)備主要包括大型可變信息標(biāo)志、小型可變信息標(biāo)志。

1.4沿線監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備用電量

2.常見(jiàn)的高速公路監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備供電方案

在高速公路中監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備通常呈帶狀式分布，用電負(fù)荷一般小于15kVA，而其變電站一般設(shè)置在管理中心、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)內(nèi)或隧道口，變電站間隔為小于40kM。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)電壓》（GBT 156-2017 標(biāo)準(zhǔn)電壓），我國(guó)推薦的標(biāo)準(zhǔn)電壓有：380V、660V、1000V等。

目前傳統(tǒng)的供電方式大多采用低壓電力電纜直接供電的方式，若取電點(diǎn)遠(yuǎn)時(shí)，為了保證供電的質(zhì)量，需要增加供電電纜的截面積。增加電纜的截面積會(huì)使供電成本大大增加，電纜的敷設(shè)難度也會(huì)增加。如何在不增加供電成本的同時(shí)，選取適合項(xiàng)目特點(diǎn)、保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的供電方案十分重要。若沒(méi)有穩(wěn)定可靠的供電方案，沿線建設(shè)的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備也形同虛設(shè)。

在輸送相同電能的情況下，采用越高的電壓供電，線路的電能損耗就越低，更能保證電業(yè)的質(zhì)量。但不能一味的追求高壓，還要考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比，力求降低系統(tǒng)的投資。

2.1低壓電力電纜直接供電方案

該方案是采用低壓電力電纜直接從就近變電所或箱式變電站（收費(fèi)站變電所、服務(wù)區(qū)變電所、隧道洞口變電所或箱式變電站等）低壓配電柜引出回路，向外場(chǎng)設(shè)備供電。

具體方案如圖1所示：

2.2高壓10KV箱變/埋地變間接供電方案

由P=U×I可知，在傳輸一定的電能量時(shí)，電壓值越高，電流值越小。再根據(jù)ΔU=I2R，電流越小則壓降越小。故提高傳輸電壓可以減小電壓降。

高壓10KV間接供電方案是從變電所或箱式變電站的高壓配電柜側(cè)引出，將10kV電壓傳輸至負(fù)載較集中位置，在此處安裝10kV/0.4kV變壓器，將10kV變壓為380V/220V，再將380V/220V進(jìn)行二次配電，向附近的設(shè)備供電。

具體方案如圖2所示：

2.3低壓升降壓供電方案（380V/660V）

低壓升降壓供電方案是近些年常用的一種外場(chǎng)設(shè)備供電方案，該方案電源取自變電所或箱式變電站的低壓配電柜側(cè)，通過(guò)在變電所設(shè)置升壓變壓器，然后將三相380V電壓升至三相660V，最后傳送至負(fù)載較集中的位置。在設(shè)備終端處通過(guò)降壓變壓器降壓至三相380V，向附近的負(fù)載供電。該方案將輸送電壓從380V提高至660V，電壓提高了1.73倍，由ΔU=I2R可知，電壓降變?yōu)樵瓉?lái)的（1/1.73）2，負(fù)荷矩（kW·m，指線路的有功負(fù)荷與輸送距離的乘積）相同的情況下，壓降可以減少3倍，輸送距離可以提高3倍。

具體方案如圖3所示：

2.4直流遠(yuǎn)供供電方案

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端組成。

直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)在發(fā)送端采用AC-DC交直流變換器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，將交流電源經(jīng)過(guò)變換裝置變換為直流電源，并把電壓升高，該設(shè)備一般設(shè)置在就近的變電所。

接收端主要由變換部分（DC/AC、DC/DC）組成，電能通過(guò)電纜將發(fā)送端輸出的電能傳輸給遠(yuǎn)端的接收設(shè)備，遠(yuǎn)端接收設(shè)備將該電能進(jìn)行降壓，遠(yuǎn)端裝置由DC-DC或DC-AC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，遠(yuǎn)端設(shè)備根據(jù)實(shí)際使用情況將直流電轉(zhuǎn)換成交流電或直流電，供給外場(chǎng)負(fù)載使用。

直流傳輸供電原理就是將220V交流電源整流成直流并把電壓升高通過(guò)線纜進(jìn)行電能傳輸，到末端用電點(diǎn)處再進(jìn)行逆變成220V交流，給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。

2.5交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)供電方案

該方案采用三相380V（10kV或6kV可選）輸入，通過(guò)上端電源柜輸出單相1KV（660V～10kV可選）電壓。通過(guò)電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，將電力輸送到各用電點(diǎn)。在用電點(diǎn)（一個(gè)、多個(gè)）再通過(guò)下端電源柜將1KV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?80V/220V電壓向負(fù)載供電，如圖5所示。

上端電源柜一般安裝于配電房，根據(jù)事先設(shè)定輸出一定電壓，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，對(duì)電壓調(diào)進(jìn)行自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)，始終保持在下端電源柜允許的輸入電壓的范圍。

下端電源柜主要是將上端電源柜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯蜗嘟涣麟娀蛉嘟涣麟娺M(jìn)行調(diào)壓處理，為負(fù)載提供相應(yīng)電壓等級(jí)的電能，同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)用電負(fù)載的用電狀態(tài)。

3.幾種供電方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1低壓電力電纜直接供電方案優(yōu)缺點(diǎn)

低壓電力電纜供電方式下的線電壓通常為220V/50Hz，相電壓為380V/50Hz。在具有電阻、電感和電容的電路里，有對(duì)交流存在阻礙作用的阻抗，阻抗的存在使得輸電線路必然有線路壓降。按現(xiàn)行的國(guó)家電力標(biāo)準(zhǔn)，供電線路的末端電壓降應(yīng)不超過(guò)5%。根據(jù)380V三相交流供電電壓降計(jì)算公式： （其中M為負(fù)荷矩，C為計(jì)算系數(shù)，A為電纜的截面積），低壓電力電纜供電距離一般在3KM范圍內(nèi)，對(duì)于管理中心、收費(fèi)站等距沿線變電所或箱變較近的機(jī)電設(shè)備，可通過(guò)低壓供電方式進(jìn)行供電，該情況下此供電方式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

若沿線監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備多，負(fù)荷大，距離供電點(diǎn)遠(yuǎn)，需增大電纜的截面積來(lái)控制壓降，保證供電質(zhì)量。電纜截面積的增加會(huì)快速增加建設(shè)成本，且會(huì)給施工增加難度。若距離過(guò)遠(yuǎn)（大于5KM），電損耗大，線路壓降大，供電質(zhì)量差。

綜上所述，當(dāng)沿線分布眾多且距取電點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備時(shí)，此方案不合適。

3.2高壓10KV箱變/埋地變供電方案優(yōu)缺點(diǎn)

高壓10KV箱變/埋地變供電方案可以解決距供電點(diǎn)較遠(yuǎn)外場(chǎng)設(shè)備的供電傳輸問(wèn)題，該方案供電能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，帶載能力強(qiáng)。

雖然該方案可以傳輸較遠(yuǎn)距離，但是電壓越高，該供電傳輸系統(tǒng)需要敷設(shè)的供電電纜和配置的設(shè)備耐壓等級(jí)要求越高，設(shè)備、電纜造價(jià)也會(huì)增加，10KV電纜、埋地式變壓器等用電設(shè)備造價(jià)也較高。另外間接供電需要二次配電，在10KV電壓通過(guò)變壓器降壓為380V之后，仍需配置電纜傳輸?shù)礁浇挠秒娫O(shè)備。此時(shí)會(huì)造成電纜重復(fù)敷設(shè)，且電纜重復(fù)敷設(shè)比例較高，增加成本。對(duì)于沿線監(jiān)控設(shè)備負(fù)荷小，分布分散的情況，配置一套10KV變電設(shè)備可能只為了幾十瓦至幾百瓦的設(shè)備供電，而且每隔2-3km就有一處點(diǎn)位需要供電。

綜上所述，該方案供電距離遠(yuǎn)，帶載能力強(qiáng)。但綜合造價(jià)高，施工難度大，維護(hù)成本高。

3.3低壓升降壓供電（380V/660V）方案優(yōu)缺點(diǎn)

該方案簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，通過(guò)升壓和增大電纜的截面積有效的解決了5-6km范圍內(nèi)情報(bào)板等功率較大（相對(duì)于攝像機(jī)）監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的供電問(wèn)題。相比于380V低壓電力電纜直接供電方案，供電能力較強(qiáng)，供電距離較遠(yuǎn);相比于10KV間接供電方案，該方案供電電纜和設(shè)備耐壓等級(jí)要求降低，成本降低;跟10KV供電方案相比，設(shè)計(jì)和施工的難度均降低。

這種方案相當(dāng)于將低壓380V供電方案進(jìn)行了一定范圍的延伸。由于在電壓輸送等級(jí)上有所提高（提高1.73倍），則電壓降相應(yīng)的減少了1.732的平方倍，即3倍，供電距離可以提高到3倍。該方案的供電范圍為4km～10km，對(duì)于中距離、中負(fù)荷的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備，此方案有明顯優(yōu)勢(shì)。但若所需要供電距離較長(zhǎng)（超過(guò)10km），特別是在大小負(fù)荷混合供電的需求下，該方案存在不足。在用電點(diǎn)的電壓除了和升壓端外電電壓有關(guān)還與沿線負(fù)荷產(chǎn)生的線路壓降有關(guān)，當(dāng)線路中存在較大負(fù)荷并動(dòng)態(tài)變化時(shí)，末端電壓就很難穩(wěn)定，即很難保證供電的質(zhì)量，由于三相供電需要平衡，也存在一定范圍的二次配電和電纜重復(fù)敷設(shè)的問(wèn)題，如果低壓電纜數(shù)量較多，則綜合工程造價(jià)也較高，故此方案對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的供電也存在一定的局限性。

3.4直流遠(yuǎn)供供電方案優(yōu)缺點(diǎn)

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)其實(shí)是采用固定升降壓的方式，在首段將電壓升高到一定范圍，用電端再通過(guò)整流逆變將電壓變成220V。在供電范圍超過(guò)10Km時(shí)，該方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。

本方案一般適用于小負(fù)載長(zhǎng)距離下的設(shè)備供電，但直流遠(yuǎn)供供電方案系統(tǒng)柔性不強(qiáng)，很難實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)備和小功率設(shè)備的混合供電;該方案主要靠斬波振蕩逆變實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，大量使用電子設(shè)備，本身設(shè)備又都是在戶外運(yùn)行，電子設(shè)備受環(huán)境的影響較大，所以裝置可靠性差;直流供電方式系統(tǒng)容量通常都不大，難以滿足未來(lái)擴(kuò)展的需要。由于此供電方式首末端都沒(méi)有穩(wěn)壓設(shè)備，因此很難保證用電端電壓波動(dòng)范圍在±5%，對(duì)供電質(zhì)量無(wú)法保證。

該系統(tǒng)運(yùn)行的項(xiàng)目較少，且通常是給攝像機(jī)供電，大小負(fù)荷混合供電能力較弱。

3.5交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)供電方案優(yōu)缺點(diǎn)

交流遠(yuǎn)供是采用三相380V輸入，將三相電轉(zhuǎn)化為單相電，再通過(guò)上位機(jī)輸出單相3.3KV電壓，通過(guò)電纜將電輸送至各個(gè)用電點(diǎn)，在用電點(diǎn)通過(guò)下位機(jī)將3.3KV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V電壓向負(fù)載供電。該方案?jìng)鬏斁嚯x在4～30km，在用電設(shè)備距供電點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，且?guī)лd能力強(qiáng)。由于系統(tǒng)是采用單相電壓輸送，因此可以減少電纜的芯數(shù)，節(jié)約成本，且負(fù)載端無(wú)需三相平衡。

4.方案對(duì)比

根據(jù)上節(jié)對(duì)各供電方案的分析，做出以下對(duì)比分析表，如表2。

表2 ?常見(jiàn)的高速公路外場(chǎng)設(shè)備供電方案對(duì)比分析表

低壓電力電纜直接供電高壓10KV箱變/埋地變間接供電低壓升降壓供電直流遠(yuǎn)供供電交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)供電供電距離4km15km10km30km30km電纜芯數(shù)4芯3芯4芯2芯2芯建設(shè)成本低高較高較高較高大小負(fù)荷混合供電能力優(yōu)較優(yōu)差差優(yōu)用電質(zhì)量穩(wěn)定較穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定

通過(guò)以上對(duì)比可知，在供電距離短，用電負(fù)荷小的情況下，選擇低壓電力電纜直接供電方案合適，;在供電距離較遠(yuǎn)，用電負(fù)荷單一的情況下，可選擇直流遠(yuǎn)供或交流遠(yuǎn)供方案;在供電距離遠(yuǎn)，需大小負(fù)荷混合供電的情況下，選擇交流遠(yuǎn)供方案合適。

5.結(jié)束語(yǔ)

“新基建”推動(dòng)了智慧高速公路建設(shè)的到來(lái)，高速公路機(jī)電設(shè)備建設(shè)規(guī)模也將不斷擴(kuò)大，選擇滿足高速公路監(jiān)控系統(tǒng)用電特征的供電方案顯得尤為重要。在選擇供電方案時(shí)，從負(fù)荷容量、供電距離、建設(shè)成本施工難度等幾個(gè)方面綜合考慮，才能提供安全可靠且經(jīng)濟(jì)適應(yīng)的供電方案。

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作者簡(jiǎn)介：馬若蘭，1994.10.10，女，漢族，河南焦作，碩士，助理級(jí)工程師，公路機(jī)電設(shè)計(jì)，中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司。